JP2022153190A - リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】
リチウムイオン二次電池への外部からの衝撃に対する発熱の影響を抑制した電極を提供すること。
【解決手段】
金属箔と、前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、前記導電層の面のうち前記金属箔の側とは反対の側の面の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、前記導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含み、前記活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、前記第一の活物質層と前記第二の活物質層とは、前記第一の活物質層が前記導電層に近い側となるように積層されており、前記第二の活物質層は、前記第一の活物質層よりも大きな空隙率を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。
【選択図】図1
リチウムイオン二次電池への外部からの衝撃に対する発熱の影響を抑制した電極を提供すること。
【解決手段】
金属箔と、前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、前記導電層の面のうち前記金属箔の側とは反対の側の面の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、前記導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含み、前記活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、前記第一の活物質層と前記第二の活物質層とは、前記第一の活物質層が前記導電層に近い側となるように積層されており、前記第二の活物質層は、前記第一の活物質層よりも大きな空隙率を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。
【選択図】図1
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比べ、軽量、高エネルギー密度であるため、携帯電子機器用電源として広く応用されている。また、ハイブリッド自動車や、電気自動車用に搭載される電源として有力な候補ともなっている。そして、近年の携帯電子機器の小型化、高機能化に伴い、これらの電源となるリチウムイオン二次電池への更なる高エネルギー密度化が期待されている。
現状のリチウムイオン二次電池は安全性の面でも高水準にあるが、その高容量及び高出力ゆえに、安全性の面でさらなる向上が要望されている。たとえば、リチウムイオン二次電池が過充電されると、発熱する可能性がある。また、内部短絡の発生によっても、発熱する可能性がある。さらに、リチウムイオン二次電池は有機溶媒を含有する非水電解質を含んでいるので、発熱に伴って有機溶媒が化学的に分解してガスが発生し、電池の内圧が上昇する等の不具合が生じる可能性がある。
このような問題に対して、特許文献1には、集電体の表面に導電層を設ける技術を提案している。
しかしながら、特許文献1に記載されるリチウムイオン二次電池では、外部からの衝撃による局所的に急激な発熱に対しては不十分であるという課題があった。本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、短絡部で発生する電流の制御に加え、短絡部で発生した熱を放熱する構造とすることで課題の解決が可能であることを見出した。
発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池への外部からの衝撃に対する発熱の影響を抑制した電極を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明に係るリチウムイオン二次電池用電極は、金属箔と、金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、導電層の面のうち金属箔の側とは反対の側の面の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含み、活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、第一の活物質層と第二の活物質層とは、第一の活物質層が導電層に近い側となるように積層されており、第二の活物質層は、第一の活物質層よりも大きな空隙率を有することを特徴とする。
本発明に係る電極は、リチウムイオン二次電池に衝撃が加わり内部短絡が発生した場合、導電層に含まれる絶縁性の樹脂が短絡箇所に流れ込み短絡抵抗が上がることで、内部短絡により発生する電流量を抑制できる。また、電極の第二の活物質層は空隙率が大きいため、熱伝導率が低下する。そのため、内部短絡箇所で発生した熱の移動は、対向する正負極間では起こりにくく、放熱性の高い集電体を通じての移動が優先して行われるため、短絡箇所の温度が上がりにくく、発熱の影響を低減することが可能となる。
また、導電層を厚み方向から見た場合の、導電性粒子の単位面積あたりの占有面積をAとし、絶縁性樹脂の単位面積あたりの占有面積をBとした場合に、0.11≦A/B≦1.0であることが好ましい。
これによれば、リチウムイオン二次電池の出力を低下させることなく、短絡箇所の抵抗を上げることができ、本発明の効果をより高めることができる。
また、活物質層における第二の活物質層の空隙率をCとし、第一の活物質層の空隙率をDとした場合に、1.2≦C/D≦3.5であることが好ましい。
これによれば、リチウムイオン二次電池の出力を低下させることなく、内部短絡箇所で発生した熱が、集電体を通して効率的に放熱させることが可能となり、本発明の効果をさらに高めることができる。
本発明によれば、リチウムイオン二次電池に衝撃が加わり内部短絡が発生した場合でも発熱の影響を低減できるリチウムイオン二次電池用電極と、それを用いたリチウムイオン二次電池とを得ることができる。
以下、本発明について本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
<リチウムイオン二次電池>
図1に本実施形態のリチウムイオン二次電池の積層体模式断面図を示す。
図1に本実施形態のリチウムイオン二次電池の積層体模式断面図を示す。
1、2、3から構成される正極と、5、6、7から構成される負極と、電解質を含浸させたセパレータ4とを図1のように作製することでリチウムイオン二次電池の積層体10を作製することができる。ここで、正極は、正極集電体3上、もしくは正極集電体上に形成された導電層2上、に正極活物質層1を形成することで作製することができ、負極は、負極集電体7上、もしくは負極集電体上に形成された導電層6上、に負極活物質層5を形成することで作製することができる。ただし、本発明の効果を発揮するためには、正極集電体3と正極活物質層1の間に導電層2を形成するか、負極集電体7と負極活物質層5の間に導電層6を形成することに加え、正極活物質層1を正極活物質層1a、1bの二層に分けて形成するか、負極活物質層5を負極活物質層5a、5bの二層に分けて形成する必要がある。なお、図面中8と9は、それぞれ正極と負極の引出し電極を示す。
<導電層を有する金属箔>
本実施形態に係る導電層を有する金属箔は、金属箔と、前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、前記導電層の金属箔とは反対の側の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、前記導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含むことを特徴とする。
本実施形態に係る導電層を有する金属箔は、金属箔と、前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、前記導電層の金属箔とは反対の側の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、前記導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含むことを特徴とする。
リチウムイオン二次電池に外部から衝撃が加わり、内部短絡が発生する状況になった場合、このような対策がないリチウムイオン二次電池では正極と負極を構成する活物質層や集電体のみが形成する短絡箇所の抵抗は低いため、大電流が発生しうるが、本実施形態によれば集電体の導電層に絶縁性樹脂が含まれるため、内部短絡発生時には短絡箇所に前記絶縁性樹脂が流れ込み、短絡箇所の抵抗が増大し、大電流の発生を抑制できる。
金属箔は導電性の板材であればよく、例えば、負極用として銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができ、正極用としては、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
導電層に含まれる導電性粒子と、絶縁性樹脂との割合は、導電層を形成した金属箔を厚み方向から見た場合(すなわち、導電層とは反対側から平面視した場合)の両者の面積から求めることができる。所定の面積の中で導電性粒子が占める面積をAとし、絶縁性樹脂の面積をBとした場合に、0.11≦A/B≦1.0であることが好ましい。この範囲にあることで、短絡箇所の抵抗を十分高い値に保つことが可能であるとともに、リチウムイオン二次電池を通常使用する場合のレート特性も、より良好な値を保つことが可能である。導電層における導電性粒子は、集電体と活物質層間の電子伝導パスの役割があるため、導電性粒子の割合が少ないとレート特性が低下するおそれがある。
絶縁性樹脂は、内部短絡が発生した場合に大電流の発生を抑制可能な抵抗値を持っていることが望ましく、抵抗値は1.0×108[Ωcm]以上であることが好ましい。
導電性粒子は導電性が良好な材料であれば特に限定されず、炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられるが、樹脂材料との相溶性の観点から特に炭素系材料が好ましい。炭素系材料には、例えば、カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、黒鉛などが挙げられる
<二層の活物質層>
本実施形態に係る活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、第一の活物質層と第二の活物質層とは、第一の活物質層が導電層に近い側となるように積層されており、第二の活物質層は、第一の活物質層よりも大きな空隙率を有することを特徴とする。
本実施形態に係る活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、第一の活物質層と第二の活物質層とは、第一の活物質層が導電層に近い側となるように積層されており、第二の活物質層は、第一の活物質層よりも大きな空隙率を有することを特徴とする。
活物質層には、内部短絡により発生した熱の伝導を制御する役割がある。第二の活物質層は、空隙率が大きいため、熱伝導率が低く、内部短絡箇所で発生した熱の移動は、対向する正負極間では起こりにくく、放熱性の高い集電体を通じての移動が優先して行われるため、短絡箇所の局所的な温度上昇をさらに抑制することが可能となる。
活物質層における空隙率の割合は、第二の活物質層の空隙率をCとし、第一の活物質層の空隙率をDとした場合に、1.2≦C/D≦3.5であることが望ましい。この範囲にあることで、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度低下を抑制したうえで、内部短絡箇所で発生した熱を放熱性の高い集電体から優先的に放熱させることで、短絡箇所の局所的な温度上昇をさらに抑制することが可能となる。
<活物質層の空隙率測定>
第一の活物質層と、第二の活物質層における各層の空隙率について、断面SEMを用いて測定および算出を行った。まず、断面SEMで第一の活物質層と、第二の活物質層それぞれの厚みを測定し、目付量と厚みの関係から、密度を算出した。さらに下記計算式に基づき、空隙率を算出した。
空隙率=(1-密度÷各層を構成する材料から算出した真密度)×100
第一の活物質層と、第二の活物質層における各層の空隙率について、断面SEMを用いて測定および算出を行った。まず、断面SEMで第一の活物質層と、第二の活物質層それぞれの厚みを測定し、目付量と厚みの関係から、密度を算出した。さらに下記計算式に基づき、空隙率を算出した。
空隙率=(1-密度÷各層を構成する材料から算出した真密度)×100
<集電体上への導電層形成>
導電性粒子と絶縁性樹脂とを、水やN-メチル-2-ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状のスラリーを作製する。次いで、このスラリーを、例えば、コンマロールコーターを用いてアルミ箔や、銅箔などの集電体の片面または両面に塗布して所定の厚みを有する塗膜を形成し、乾燥炉内に導入して溶媒を蒸発させる。なお、集電体の両面に塗布された場合、導電層となる塗膜の厚みは、両面とも同じ厚みであることが望ましい。また、溶媒蒸発後、ローラープレスによって加圧成形を行ってもよい。導電層の厚みは、1[μm]以上10[μm]未満であることが好ましい。これによりリチウムイオン二次電池に外部から衝撃が加わり、内部短絡が発生する状況になった場合、短絡箇所の抵抗をより上げる役割をすると同時に、通常使用時においては、出力を低下させることがない。
導電性粒子と絶縁性樹脂とを、水やN-メチル-2-ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状のスラリーを作製する。次いで、このスラリーを、例えば、コンマロールコーターを用いてアルミ箔や、銅箔などの集電体の片面または両面に塗布して所定の厚みを有する塗膜を形成し、乾燥炉内に導入して溶媒を蒸発させる。なお、集電体の両面に塗布された場合、導電層となる塗膜の厚みは、両面とも同じ厚みであることが望ましい。また、溶媒蒸発後、ローラープレスによって加圧成形を行ってもよい。導電層の厚みは、1[μm]以上10[μm]未満であることが好ましい。これによりリチウムイオン二次電池に外部から衝撃が加わり、内部短絡が発生する状況になった場合、短絡箇所の抵抗をより上げる役割をすると同時に、通常使用時においては、出力を低下させることがない。
<正極>
正極は後述するように正極用集電体3上、もしくは正極集電体上に形成された導電層2上、に正極活物質層1を形成することで作製することができる。なお、正極活物質層を第一の活物質層と、前記第二の活物質層とに分けて形成する場合、はじめに正極集電体上に形成された導電層2上に第一の活物質層を形成し、その上からさらに第二の活物質層を形成する。
正極は後述するように正極用集電体3上、もしくは正極集電体上に形成された導電層2上、に正極活物質層1を形成することで作製することができる。なお、正極活物質層を第一の活物質層と、前記第二の活物質層とに分けて形成する場合、はじめに正極集電体上に形成された導電層2上に第一の活物質層を形成し、その上からさらに第二の活物質層を形成する。
(正極用集電体)
正極用集電体3は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
正極用集電体3は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
(正極活物質層)
正極活物質層1は、正極活物質、正極用バインダ、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
正極活物質層1は、正極活物質、正極用バインダ、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
(正極活物質)
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 -)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 -)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
(正極用バインダ)
正極用バインダは、正極活物質同士を結合すると共に、正極活物質と集電体とを結合している。バインダは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
正極用バインダは、正極活物質同士を結合すると共に、正極活物質と集電体とを結合している。バインダは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
(正極用導電助剤)
正極用導電助剤も、正極活物質層の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
正極用導電助剤も、正極活物質層の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
<負極>
負極は後述するように負極用集電体7上、もしくは負極集電体上に形成された導電層6上、に負極活物質層5を形成することで作製することができる。なお、負極活物質層を第一の活物質層と、前記第二の活物質層とに分けて形成する場合、はじめに負極集電体上に形成された導電層6上に第一の活物質層を形成し、その上からさらに第二の活物質層を形成する。
負極は後述するように負極用集電体7上、もしくは負極集電体上に形成された導電層6上、に負極活物質層5を形成することで作製することができる。なお、負極活物質層を第一の活物質層と、前記第二の活物質層とに分けて形成する場合、はじめに負極集電体上に形成された導電層6上に第一の活物質層を形成し、その上からさらに第二の活物質層を形成する。
(負極用集電体)
負極用集電体7は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
負極用集電体7は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
(負極活物質層)
負極活物質層5は、負極活物質、負極用バインダ、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
負極活物質層5は、負極活物質、負極用バインダ、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
(負極活物質)
負極活物質としてはグラファイト、酸化シリコン(SiOx)、金属シリコン(Si)等が挙げられる。
負極活物質としてはグラファイト、酸化シリコン(SiOx)、金属シリコン(Si)等が挙げられる。
(負極用バインダ)
負極用バインダとしては特に限定は無く、上記で記載した正極用バインダと同様のものを用いることができる。
負極用バインダとしては特に限定は無く、上記で記載した正極用バインダと同様のものを用いることができる。
負極活物質層5中のバインダの含有量も特に限定されないが、負極活物質層全体の1~20質量部であることが好ましい。
(負極用導電助剤)
負極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した正極用導電助剤と同様のものを用いることができる。
負極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した正極用導電助剤と同様のものを用いることができる。
<電解質>
電解質としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
電解質としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
(集電体上への導電層形成)
実施例1では、導電性粒子として、アセチレンブラック1.1質量部、絶縁性樹脂として、PVdF1.0質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、導電層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ12[μm]のアルミ箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥することで導電層が0.90[μm]である導電層が形成された正極集電体を得た。
(集電体上への導電層形成)
実施例1では、導電性粒子として、アセチレンブラック1.1質量部、絶縁性樹脂として、PVdF1.0質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、導電層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ12[μm]のアルミ箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥することで導電層が0.90[μm]である導電層が形成された正極集電体を得た。
(正極の作製)
正極活物質としてLiCoO2を96質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてPVdFを2質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、上記で得られた導電層が形成された正極集電体の両面に塗布し、100[℃]で乾燥させることで、第一の活物質層を得た、さらに前記スラリーを、上記で得られた第一の活物質層の両面に塗布し、100[℃]で乾燥させることで、第二の活物質層を得た後、ローラープレスによって加圧成形することで正極活物質層を有する正極を得た。
正極活物質としてLiCoO2を96質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてPVdFを2質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、上記で得られた導電層が形成された正極集電体の両面に塗布し、100[℃]で乾燥させることで、第一の活物質層を得た、さらに前記スラリーを、上記で得られた第一の活物質層の両面に塗布し、100[℃]で乾燥させることで、第二の活物質層を得た後、ローラープレスによって加圧成形することで正極活物質層を有する正極を得た。
(負極の作製)
負極活物質としてSiを83質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてポリアミドイミドを15質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ10[μm]の銅箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350[℃]で3時間熱処理することで負極活物質層を有する負極を得た。
負極活物質としてSiを83質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてポリアミドイミドを15質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ10[μm]の銅箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350[℃]で3時間熱処理することで負極活物質層を有する負極を得た。
(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
上記で作製した正極と、負極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
上記で作製した正極と、負極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
<レート特性の測定>
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25℃の恒温槽中で電圧範囲を2.8[V]から4.2[V]までとし、0.05Cでの電流値で充電、放電を1サイクル行い、容量が正常であることを確認した。同様に、0.05Cでの電流値で充電を行った後、0.2Cまたは2Cの電流値で放電を行い、それぞれのレートでの放電容量を求め、レート特性(100×2C放電容量/0.2C放電容量)を求めた。正極集電体上に形成された導電層の抵抗値が低い場合、ハイレートでの電子の移動が阻害されないので高い維持率を示す。
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25℃の恒温槽中で電圧範囲を2.8[V]から4.2[V]までとし、0.05Cでの電流値で充電、放電を1サイクル行い、容量が正常であることを確認した。同様に、0.05Cでの電流値で充電を行った後、0.2Cまたは2Cの電流値で放電を行い、それぞれのレートでの放電容量を求め、レート特性(100×2C放電容量/0.2C放電容量)を求めた。正極集電体上に形成された導電層の抵抗値が低い場合、ハイレートでの電子の移動が阻害されないので高い維持率を示す。
<電池表面温度の測定>
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25[℃]の恒温槽中で4.2[V]まで充電を行った後、釘刺し試験を行った。釘刺し試験は、温度25[℃]の恒温槽中で前記評価用リチウムイオン二次電池を直径10[mm]の穴のあいたフェノール樹脂板上に固定し、直径3[mm]、長さ65[mm]の鉄製の釘を10[mm/s]の速度で前記評価用リチウムイオン二次電池に対して垂直に突き刺し、電池から10[mm]貫通させ、3分間保持した後、釘を引き抜いた。電池に釘を刺してから30秒後の電池表面温度を測定した。
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25[℃]の恒温槽中で4.2[V]まで充電を行った後、釘刺し試験を行った。釘刺し試験は、温度25[℃]の恒温槽中で前記評価用リチウムイオン二次電池を直径10[mm]の穴のあいたフェノール樹脂板上に固定し、直径3[mm]、長さ65[mm]の鉄製の釘を10[mm/s]の速度で前記評価用リチウムイオン二次電池に対して垂直に突き刺し、電池から10[mm]貫通させ、3分間保持した後、釘を引き抜いた。電池に釘を刺してから30秒後の電池表面温度を測定した。
<実施例2~11>
導電層に含まれる導電性粒子と絶縁性樹脂との割合、及び、活物質層における第二の活物質層の空隙率と、第一の活物質層の空隙率とを、表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして実施例2~11のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて、実施例1と同様にして、実施例2~11のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
導電層に含まれる導電性粒子と絶縁性樹脂との割合、及び、活物質層における第二の活物質層の空隙率と、第一の活物質層の空隙率とを、表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして実施例2~11のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて、実施例1と同様にして、実施例2~11のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
実施例1~11の評価結果を表1に示す。実施例1~11のように正極集電体上に導電層を形成し、かつ、活物質層における第二の活物質層の空隙率を、第一の活物質層の空隙率よりも大きくすることで、低い電池表面温度を示した。また、第二の活物質層の空隙率と、第一の活物質層の空隙率の割合であるC/Dを好適な範囲にすることで、さらに低い電池表面温度を示す傾向が確認された。また、導電層に含まれる導電性粒子と絶縁性樹脂の割合であるA/Bを好適な範囲にすることで、高いレート特性を維持しつつ、低い電池表面温度を示す傾向が確認された。
<比較例1~3>
導電層の有無、及び、導電層に含まれる導電性粒子と絶縁性樹脂との割合及び、活物質層における第二の活物質層の空隙率と、第一の活物質層の空隙率とを表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1~3のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて、実施例1と同様にして、比較例1~3のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
導電層の有無、及び、導電層に含まれる導電性粒子と絶縁性樹脂との割合及び、活物質層における第二の活物質層の空隙率と、第一の活物質層の空隙率とを表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1~3のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて、実施例1と同様にして、比較例1~3のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
比較例1~3の評価結果を表1に示す。比較例1では導電層が存在しておらず、比較的高い電池表面温度を示した。また比較例2では、導電層はA/Bが好適な範囲で存在しているものの、第二の活物質層の空隙率が第一の活物質層の空隙率よりも小さいため、比較的高い電池表面温度を示した。また比較例3では、導電層が存在しないことに加え、第二の活物質層の空隙率が第一の活物質層の空隙率よりも小さいため、最も高い電池表面温度を示した。
集電体上に導電層を設け、かつ、活物質層を空隙率が大きい第二の活物質層と、空隙率が小さい第一の活物質層の二層形成することで、発熱の影響を抑制したリチウムイオン二次電池を提供することができる。
1…正極活物質、1a…正極第一の活物質層、1b…正極第二の活物質層、2…正極に設けた導電層、3…正極集電体、4…セパレータ、5…負極活物質、5a…負極第一の活物質層、5b…負極第二の活物質層、6…負極に設けた導電層、7…負極集電体、8、9…リード、10…リチウムイオン二次電池の積層体。
Claims (4)
- 金属箔と、
前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、
前記導電層の面のうち前記金属箔の側とは反対の側の面の少なくとも一部に形成された活物質層と、を有し、
前記導電層は、導電性粒子と絶縁性樹脂とを含み、
前記活物質層は、第一の活物質層と第二の活物質層とを含み、
前記第一の活物質層と前記第二の活物質層とは、前記第一の活物質層が前記導電層に近い側となるように積層されており、
前記第二の活物質層は、前記第一の活物質層よりも大きな空隙率を有する
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。 - 前記導電層を厚み方向から見た場合の前記導電性粒子の単位面積あたりの占有面積をAとし、前記絶縁性樹脂の単位面積あたりの占有面積をBとした場合に、0.11≦A/B≦1.0であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記活物質層における前記第二の活物質層の空隙率をCとし、前記第一の活物質層の空隙率をDとした場合に、1.2≦C/D≦3.5であることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池。
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